(57)【要約】【課題】短絡電流がヒューズの定格電流を挟んで上下に変動する場合においても、ヒューズの遮断特性を正確に表すことができるヒューズ溶断時間シミュレーション回路を提供する。【解決手段】回路に流れる電流を検出する検出部２６と、この検出部２６に直列に接続されて検出開始スイッチ２８がＯＮの時にヒューズ溶断エネルギーを算出する第１の演算部２７と、この第１の演算部２７と並列に接続されて検出開始スイッチ２８がＯＮの時の放散エネルギーを算出する第２の演算部２９と、第１，第２の演算部２７，２９の演算結果を比較する比較部３０と、対象となる装置のヒューズと代替されてヒューズの状態を模擬するヒューズスイッチ２５とを備え、不完全短絡時に生じた変動電流がしきい値以上の場合に検出開始スイッチ２８がＯＮされると共に変動電流がしきい値以下の場合には検出開始スイッチ２８がＯＦＦされる。【選択図】図１
2006269263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路に流れる電流を検出する検出部と、この検出部に直列に接続されて検出開始スイッチがＯＮの時にヒューズ溶断エネルギーを算出する第１の演算部と、この第１の演算部と並列に接続されて前記検出開始スイッチがＯＮの時の放散エネルギーを算出する第２の演算部と、前記第１，第２の演算部の演算結果を比較する比較部と、対象となる装置のヒューズと代替されてヒューズの状態を模擬するヒューズスイッチとを備え、
不完全短絡時に生じた変動電流がしきい値以上の場合に前記検出開始スイッチをＯＮさせ且つ変動電流がしきい値以下の場合に前記検出開始スイッチがＯＦＦすることを特徴とするヒューズ溶断時間シミュレーション回路。
【請求項２】
不完全短絡時に生じた変動電流がしきい値以下のときには、前記第２の演算部でしきい値以上の電流が流れているときにヒューズに蓄積されたエネルギーを放散することを特徴とする請求項１に記載のヒューズ溶断時間シミュレーション回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、装置に組み込まれたヒューズの溶断時間を算出するシミュレーション回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のシミュレーション用ヒューズモデルは、実際にヒューズが溶断するまで電流を流しながら測定することにより、モデル化していた。すなわち、測定中の電流と電圧の変化から、ヒューズ抵抗の時間変化を算出する。そしてヒューズを時間とともに変化する抵抗としてモデル化してシミュレータに組み込んでいた。
【０００３】
図１０に、ヒューズを通過した電流と電圧波形から算出したヒューズの抵抗変化の一例を示す。このようなデータは、実験によって得られる。すなわち、ヒューズの定格容量、金属の組成や構造が変わる度毎に実験を行ない、ヒューズ溶断時における抵抗変化のデータを得る必要がある。
【０００４】
溶断時間の算出に関しては、図９のヒューズ試験回路を用いてヒューズに流れる電流を計算する。
図９において、１は直流電源、２は抵抗、３はインダクタンス、４はヒューズ、５はスイッチである。
【０００５】
ヒューズ４に蓄積されるエネルギー、すなわち熱量積分値が、基準となるエネルギー（許容エネルギー）に達した時を溶断時間とする方法がある。
まずヒューズ４に蓄積されるエネルギーである熱量積分値Ｗ１を求める。短絡スイッチを投入する時刻をｔ＝０とする。ｔ秒後の電流ｉ（ｔ）は、（１）式で表される。
【０００６】
【数１】
2006269263.tif 000003
ここで、Ｒはヒューズ抵抗を含む回路抵抗、Ｌはケーブルインダクタンス、Ｅは電源電圧である。（１）式をｉ（ｔ）について解くと、（２）式になる。
【０００７】
【数２】
2006269263.tif 000004
（２）式を用いることより、熱量積分値Ｗ１は（３）式で表される。
【０００８】
【数３】
2006269263.tif 000005
一方、許容エネルギーの値Ｗ２は、メーカーから出されているカタログ値の一部分を使用することが多い。通信用に使用されるヒューズ４は約１０ｍｓ以内で遮断する程度の大きな電流の場合、許容エネルギー値は溶断時間に依存せず一定であることが多い。そのために、Ｗ２は定数とみなすことができる。
【０００９】
Ｗ１＝Ｗ２となる時間ｔが、溶断時間である。図１１にヒューズ溶断時間を説明するグラフを示す。このグラフには、許容エネルギー値と、あるインダクタンス値と抵抗値を（３）式の右辺に代入して得られる熱量積分値の時間変化を示している。許容エネルギー値と、計算により求めた熱量積分値との交点が溶断時間となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上の解法は、ヒューズ４が約１０ｍｓ以内で溶断する程度の大きな通過電流である時のみ成り立つ。ヒューズ４への通過電流が小さい時、すなわち溶断時間が長くなると、許容エネルギー値も時間とともに変化するので、計算が複雑になる。また回路定数が変わったときは、そのつど熱量積分値、溶断時間を導出する。そしてヒューズスイッチにこの値を投入してシミュレーション回路を組む必要が出てくる。
【００１１】
しかもヒューズ４を大規模給電系回路に組み込んだ場合には、複数の回路素子の間の相互作用が強くなる。そのために、図９に示す単純回路のパラメータを用いて、ヒューズ溶断時間を解析することはできない。
【００１２】
図１２に単純回路（図９）と大規模給電系回路におけるヒューズ４を通過する電流の違いを示す。短絡回路に含まれるインダクタンス値と抵抗値が同じでも、単純回路に比べて大規模給電回路の電流増加率は小さく、定常状態の電流値も小さいことがわかる。従って、単純回路と大規模給電系回路では、許容エネルギー値に達する時間、すなわち溶断時間も溶断時直前の通過電流も異なってしまう。
【００１３】
本発明の目的は、上記従来技術における問題点を解決するためになされたもので、ヒューズを通過する電流が小さい場合でも、また複雑な回路にヒューズを組み込んだ場合でも簡単かつ正確にヒューズ溶断時間を求めることができ、しかも、短絡電流がヒューズの定格電流を挟んで上下に変動する場合においてもヒューズの遮断特性を正確に表すことができるヒューズ溶断時間シミュレーション回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によるヒューズ溶断時間シミュレーション回路は、回路に流れる電流を検出する検出部と、この検出部に直列に接続されて検出開始スイッチがＯＮの時にヒューズ溶断エネルギーを算出する第１の演算部と、この第１の演算部と並列に接続されて前記検出開始スイッチがＯＮの時の放散エネルギーを算出する第２の演算部と、前記第１，第２の演算部の演算結果を比較する比較部と、対象となる装置のヒューズと代替されてヒューズの状態を模擬するヒューズスイッチとを備え、不完全短絡時に生じた変動電流がしきい値以上の場合に前記検出開始スイッチをＯＮさせ且つ変動電流がしきい値以下の場合に前記検出開始スイッチがＯＦＦすることを特徴とする。
【００１５】
尚、ここでの不完全短絡とは、ある程度の短絡抵抗を持ったレアショート等を示し、例えば、対象となる装置が、屋外に設置されているものである場合における排気ガス、屋内に設置されているものである場合における画像形成装置のトナー、といった炭素粒子の飛散に伴う付着に起因して発生することが想定される。
【００１６】
また、本発明のヒューズ溶断時間シミュレーション回路は、不完全短絡時に生じた変動電流がしきい値以下のときには、前記第２の演算部でしきい値以上の電流が流れているときにヒューズに蓄積されたエネルギーを放散することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のヒューズ溶断時間シミュレーション回路によれば、第２の演算部によりヒューズを通過する電流が小さい場合でも、また複雑な回路にヒューズを組み込んだ場合でも簡単かつ正確にヒューズ溶断時間を求めることができ、しかも、短絡電流がヒューズの定格電流を挟んで上下に変動する場合においてもヒューズの遮断特性を正確に表すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明のヒューズ溶断時間シミュレーション回路を図面に基づいて説明する。
【００１９】
（シミュレーション回路）
図７に、本発明に至るヒューズ溶断時間シミュレーション回路を対象となる装置に組み込んだ回路例を示す。
ここで、対象となる装置は、直流電源１１、抵抗１２、インダクタンス１３、短絡スイッチ１４、ヒューズにより構成されるものとする。
【００２０】
尚、ヒューズを含む装置全体の抵抗値並びにインダクタンス値は、それぞれ抵抗１２、インダクタンス１３の一つのブロックにまとめている。また、このヒューズ溶断時間シミュレーション回路は、ヒューズスイッチ１５、電流測定部１６、蓄積エネルギー演算部１７、比較部１８により構成される。
【００２１】
図７に示した回路では、対象となる装置のヒューズを、ヒューズスイッチ１５と電流測定部１６からなる直列回路に置き換えている。そしてヒューズ、すなわち代替されたヒューズスイッチ１５に流れる電流を測定する。
【００２２】
（シミュレーション方法）
具体的には、短絡スイッチ１４はオフ、ヒューズスイッチ１５はオンになっている。短絡スイッチ１４をオンにすることにより、図７に示した回路に電流を流す。その後、電流測定部１６でヒューズスイッチ１５に流れる電流を測定する。
【００２３】
その後、蓄積エネルギー演算部１７で測定した電流値を２乗して熱量を求め、累積することによりヒューズスイッチ１５に蓄積されたエネルギーを求める。蓄積されたエネルギーは、比較部１８でカタログ等に記載されているヒューズの許容エネルギーと比較する。蓄積されたエネルギーが許容エネルギーより小さい場合は、ヒューズ溶断前と判断する。さらに、この測定・演算を繰り返し、蓄積されたエネルギーが許容エネルギーを超えた場合は、ヒューズスイッチ１５をオフにして測定・演算を終了する。そして、短絡スイッチ１４をオンにしてからそれまでに経過した時間を、ヒューズ溶断時間とする。
【００２４】
ところで、このようなヒューズ溶断時間シミュレーション回路では、一旦通過電流が流れると、ヒューズにエネルギーが蓄積されたままとなってしまう。
【００２５】
従って、通過電流が低下し、実際であればヒューズに蓄積されたエネルギーに蓄積されたエネルギーが放散して遮断に至らない場合であっても、エネルギーが蓄積されたままとなり、再度大きな通過電流が発生すると、蓄積エネルギーは前に蓄積されたエネルギーに加算されることとなり、本来であれば遮断しない場合であっても、シミュレーション上では遮断してしまう虞があり、正確なヒューズの挙動を表すことができなかった。
【００２６】
図８は、このようなヒューズ溶断時間シミュレーション回路によるシミュレーション結果を示す。この図８では、通過電流をパルス波形としており、最大電流を５００Ａ、最小電流を０Ａに設定している。
【００２７】
通過電流が最大である５００Ａの時はヒューズにエネルギーが蓄積され、溶断累積値Ｖ１が上昇している。その後、通過電流が減少し、０Ａの時にはヒューズに蓄積されたエネルギーは放散するため、溶断累積値Ｖ１は減少することとなるが、この溶断累積値Ｖ１は一定となり減少しない。
【００２８】
従って、次に大きな通過電流がヒューズに流れると、溶断累積値Ｖ１は先の溶断累積値に足されることとなり、図８に示した時間で遮断してしまう。
【００２９】
そこで、短絡電流がヒューズの定格電流を挟んで上下に変動する場合においてもヒューズの遮断特性を正確に表すことができるヒューズ溶断時間シミュレーション回路を図１に示す。
【００３０】
図１は、本発明のヒューズ溶断時間シミュレーション回路図である。
図１において、２１は直流電源、２２は抵抗、２３はインダクタンス、２４は短絡スイッチ、２５はヒューズスイッチ、２６は回路に流れる電流を検出する検出部、２７は検出部２６に直列に接続されて検出開始スイッチ２８がＯＮの時にヒューズ溶断エネルギーを算出する第１の演算部、２９は第１の演算部２７と並列に接続されて検出開始スイッチ２８がＯＮの時の放散エネルギーを算出する第２の演算部、第１，第２の演算部２７，２９の演算結果を比較する比較部３０と、対象となる装置のヒューズと代替されてヒューズの状態を模擬するヒューズスイッチ２５とを備えている。
【００３１】
尚、ヒューズを含む装置全体の抵抗値並びにインダクタンス値は、それぞれ抵抗２２、インダクタンス２３の一つのブロックにまとめている。図１に示した回路では、対象となる装置のヒューズを、ヒューズスイッチ２５と検出部２６からなる直列回路に置き換えている。そしてヒューズ、すなわち代替されたヒューズスイッチ２５に流れる電流を測定する。
【００３２】
第１の演算部２７は演算部３１と積分部３２とを備え、第２の演算部２９は比較部３３と演算遮断スイッチ３４と演算部３５とを備えている。
【００３３】
このような構成において、図１に示すように、短絡スイッチ２４がＯＦＦ、ヒューズスイッチＯＦＦの状態から、短絡スイッチ２４をＯＮにして回路に電流を流すと、その電流を検出部２６が検出し、演算を容易にするため電圧源Ｖ０として出力する。
【００３４】
ここで、ヒューズにエネルギーが蓄積されるしきい値をＶｔｈとすると、Ｖ０＞Ｖｔｈの時、検出開始スイッチ２８をＯＮにする。次に、第１の演算部２７の演算部３１で２乗して溶断値Ｖｍを求める。さらに、演算部３１の演算開始時間を０秒とすると、積分部３２で０秒からある時間ｔ１秒まで積分し、溶断累積値Ｖ１（ｔ１）を導出する。次に比較部３０でヒューズのカタログ値Ｖ２と溶断累積値Ｖ１（ｔ１）とを比較し、実効累積値Ｖ３（＝Ｖ２−Ｖ１）を導出する。
【００３５】
ここで、カタログ値Ｖ２は、メーカーで出されているヒューズの溶断時間と溶断電流の関係によりジュール積分値として容易に導き出すことができる。Ｖ３がプラスであれば溶断前と判断し、引き続き電流検出する。
【００３６】
さらに時間が経過しＶ３＝０となったときにヒューズスイッチ２５をオープン（ＯＦＦ）する。従って、Ｖ３＝０となる時間が溶断時間となる。
【００３７】
短絡時間を検出した後の電圧源の電圧値Ｖ０がしきい値Ｖｔｈよりも小さい場合（Ｖ０＞Ｖｔｈ）には、検出開始スイッチ２８をＯＦＦにし、溶断エネルギーを算出する第１の演算部２７は停止することとなり、ヒューズに蓄積されるエネルギーを放散（放出）するモードとなる。
【００３８】
第２の演算部２９では、放散するエネルギーを算出する。先ず、比較部３３でしきい値Ｖｔｈと検出部２６で出力された電圧Ｖ０との差Ｖｄ１（＝Ｖｔｈ−Ｖ０）を算出する。しきい値Ｖｔｈよりも電圧Ｖ０が低い場合は放散モードであり、差Ｖｄ１はプラスとして表されることとなる。次に演算遮断スイッチ３４によりしきい値Ｖｔｈがプラスである場合には検出開始スイッチ２８をＯＮとし、差Ｖｄ１をそのまま出力し、マイナスであるときは０を出力する。得られた値を演算部３５で２乗し、−１を掛けることにより放散値Ｖｄを得る。
【００３９】
この構成により、Ｖ０＞Ｖｔｈのときは溶断モードであり、差Ｖｄ１はマイナス、演算遮断スイッチ３４を介すると０となるため、第２の演算部２９から出力される放散値Ｖｄは０となり、積分部３２には影響を及ぼさない。
【００４０】
一方、Ｖ０＜Ｖｔｈのときは放散モードであり、差Ｖｄ１はプラス、演算遮断スイッチ３４、演算部３５を介すると放散値Ｖｄは常にマイナスとなって積分部３５に入力されるため、ヒューズに蓄積されたエネルギーを減少させてゆくこととなる。その減少する値は、通過する電流としきい値Ｖｔｈとの差分を元にしているため、通過する電流に応じて放散量が変化することとなる。即ち、通過する電流がしきい値Ｖｔｈよりも小さいが、しきい値Ｖｔｈとの差分が小さい場合には、放散量も少なく、しきい値Ｖｔｈとの差分が大きい場合には放散量も大きくなる。
【００４１】
このような本発明のヒューズ溶断時間シミュレーション回路を用いて通過電流の最小値を変化させたときの結果を図２に示す。
図２では、最大電流を５００Ａ、しきい値電流Ｖｔｈを４００Ａ、カタログ値Ｖ２を１４００、波形はパルス状で周期一定に設定している。最小電流は、図２（ａ）が０Ａ、図２（ｂ）が１５０Ａ、図３（ａ）が２００Ａ、図３（ｂ）が３５０Ａである。
【００４２】
図２（ａ）のように最小電流が小さい場合には、最大電流時で蓄積された溶断累積値Ｖ１が最小電流時にエネルギーが多く放散されるため減少し、次の最大電流になる前に０になってしまい、カタログ値Ｖ２に達することがなく、実効累積値Ｖ３は０とならないためヒューズは遮断しない。
【００４３】
最小電流が大きくなると、図２（ｂ）に示すように、溶断累積値Ｖ１が０となる期間が短くなり、図３（ａ）の最小電流を２００Ａにするとヒューズに蓄積されるエネルギーを最小電流の期間で充分に放散できないため、溶断累積値Ｖ１はカタログ値Ｖ２に達し、実効累積値Ｖ３が０となるためヒューズは溶断する。さらに最小電流を増加させると図３（ｂ）に示すように溶断時間が短くなり、実際の現象を良く表すことがわかる。
【００４４】
このような本発明のヒューズ溶断時間シミュレーション回路を用いて、最小電流の時間を変化させた結果を図４に示す。
図３（ａ）が２００Ａ、図３（ｂ）が３５０Ａである。
【００４５】
図４では最大電流を５００Ａ、最小電流を０Ａ，しきい値電流Ｖｔｈを４００Ａ、波形はパルス状に設定した。周期は図４（ａ）では３０ｍｓ、図４（ｂ）では１５ｍｓ、図５（ａ）では１２ｍｓ、図５（ｂ）では１０ｍｓとし、最大電流の時間を変化させずに最小電流の期間のみを減少させていった。
【００４６】
図４（ｂ）に示すように最小電流の時間が長いとき、最大電流時で蓄積された溶断累積値Ｖ１が最小電流時にエネルギーが多く放散されるため減少し、次の最大電流になる前に０になってしまい、カタログ値Ｖ２に達することがなく、実効累積値Ｖ３は０とならないためヒューズは遮断しない。
【００４７】
周期を短くしてゆくと図５（ａ）に示すように、ヒューズに蓄積されるエネルギーを最小電流の期間で十分に放散できないため、溶断累積値Ｖ１はカタログ値Ｖ２に達し実効累積値Ｖ３が０となるためヒューズは溶断する。さらに周期を短くすると図５（ｂ）に示す世に、放散が十分に行われないうちに次の最大電流によりヒューズにエネルギーが蓄積されるため溶断時間が短くなることがわかる。
【００４８】
図７に示したヒューズ溶断時間シミュレーション回路との比較を図６に示す。
図７に示したヒューズ溶断時間シミュレーション回路を用いた場合には、通過電流がしきい値電流以下となったときでも溶断累積値Ｖ１は変化しないためヒューズにエネルギーが蓄積されたままとなっており、次にしきい値電流を超える電流が発生すると溶断してしまう。
【００４９】
これはヒューズに蓄積されたエネルギーが放散されていないこととなり、図７に示した回路を用いた場合には正確にヒューズの遮断特性を表すことができていない。
【００５０】
一方、本発明のヒューズ溶断時間シミュレーション回路を用いた場合では、通過電流がしきい値電流以下となったとき、放散モードに入り、溶断累積値Ｖ１が減少している。これにより、最小電流が小さくかつ時間が長い場合には溶断しないことが示されており、実際の現象に近い特性を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明のヒューズ溶断時間シミュレーション回路図である。
【図２】本発明のヒューズ溶断時間シミュレーション回路を用いて通過電流の最小値を変化させたときの結果のグラフ図で、（ａ）は最小電流が０Ａのときのグラフ図、（ｂ）は最小電流が１５０Ａのときのグラフ図である。
【図３】本発明のヒューズ溶断時間シミュレーション回路を用いて通過電流の最小値を変化させたときの結果のグラフ図で、（ａ）は最小電流が２００Ａのときのグラフ図、（ｂ）は最小電流が３５０Ａのときのグラフ図である。
【図４】本発明のヒューズ溶断時間シミュレーション回路を用いて最小電流の時間を変化させた結果のグラフ図で、（ａ）は周期を３０ｍｓとしたときのグラフ図、（ｂ）は１５ｍｓとしたときのグラフ図である。
【図５】本発明のヒューズ溶断時間シミュレーション回路を用いて最小電流の時間を変化させた結果のグラフ図で、（ａ）は周期を１２ｍｓとしたときのグラフ図、（ｂ）は１０ｍｓとしたときのグラフ図である。
【図６】本発明のヒューズ溶断時間シミュレーション回路と図７に示したヒューズ溶断時間シミュレーション回路との比較グラフ図で、（ａ）は図７に示したヒューズ溶断時間シミュレーション回路のグラフ図、（ｂ）は本発明のヒューズ溶断時間シミュレーション回路のグラフ図である。
【図７】本発明に至るヒューズ溶断時間シミュレーション回路図である。
【図８】本発明に至るヒューズ溶断時間シミュレーション回路を用いたシミュレーション結果のグラフ図である。
【図９】従来のヒューズ溶断時間を求めるためのヒューズ試験回路図である。
【図１０】ヒューズを通過した電流と電圧波形から算出したヒューズの抵抗変化の一例を示すグラフ図である。
【図１１】ヒューズ溶断時間を説明するグラフ図である。
【図１２】単純回路と大規模給電系の２つの回路でヒューズを流れる電流が異なることを説明するグラフ図である。
【符号の説明】
【００５２】
２１…直流電源
２２…抵抗
２３…インダクタンス
２４…短絡スイッチ
２５…ヒューズスイッチ
２６…検出部
２７…第１の演算部
２８…検出開始スイッチ
２９…第２の演算部
３０…比較部
３１…演算部
３２…積分部
３３…比較部
３４…演算遮断スイッチ
３５…演算部
【図１】
2006269263.tif 000006
【図２】
2006269263.tif 000007
【図３】
2006269263.tif 000008
【図４】
2006269263.tif 000009
【図５】
2006269263.tif 000010
【図６】
2006269263.tif 000011
【図７】
2006269263.tif 000012
【図８】
2006269263.tif 000013
【図９】
2006269263.tif 000014
【図１０】
2006269263.tif 000015
【図１１】
2006269263.tif 000016
【図１２】
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